文章编号：100622467(2009)
羌嘉曦，敖国强，何建辉，陈自强，杨林（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）
摘要：为了更好地模拟动力电池的动态特性，开发相应的控制策略，建立了适用于电动汽车的动力电池仿真平台，并且分别建立了动力电池剩余电量模型、最大充放电功率模型和电池热模型于电动汽车的不同工况进行了动力电池系统的仿真 ，结果表明，所建立的动力蓄电池模型能够很好地模拟电动汽车运行过程中蓄电池组的动态行为 ，为动力蓄电池管理系统软、硬件的开发和电动汽车整车控制策略的开发提供了良好的平台
关键词：电动汽车；动力电池；荷电状态；最大充放电功率；热模型中图分类号：TM912.1 文献标识码：A
ResearchontheBatterySimulationSystemofElectricVehicles
QIAN G Jia2xi，AO Guo2qiang，H E J ia r2hui CH EN Zi2qiang，YAN G Lin(School of Mechanical Engineering Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240 China)
Abstract:Batteryis thekey ponentof electricvehicles.In orderto simulatethe dynamicbehavior ofsopresented.The battery simulationwas done based on the differentdrive cycles.The simulationresultsshowthatthebatterymodelscouldsimulatethedynamicbehaviorof thebattery.The simulationsystemKey words: electric vehicle; power bater y; state of charge; maximal charge and discharge power; ther malmodel
电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车，它们都需要动力电池作为其主要的或者辅助动力源.为了实现电动汽车整车与动力电池系统的同步开发，缩短整车与电池管理单元（BPCM)的研制周期并节省研制费用，本文开发了电动汽车动力电池仿真系统.该系统不仅可以用于电池管理系统在开发过程中的软、硬件调试，还可以用于配合整车动力系统的控制策略的开发 .
1仿真平台设计
在电动汽车各控制器开发过程中，蓄电池组及其管理系统要做到既可以实时在线，又可以进行离线仿真，必须建立电池的模型及系统仿真平台，以便调试BPCM及其在整个动力总成控制系统中的配合和协调作用.图1（a）所示为动力总成硬件在环仿真系统的主监控界面，是在LabVIEW开发平台下
图1电 电动汽车硬件在环仿真系统监控界面Fig.1The monitor interface ofhardware inter2loopsimulation system of electricvehicle
建立的，系统中的参数和手动控制变量都可以在此界面中显示和控制.图（a)中的控制面板及其后台程序中包含了车辆仿真模型 VMS、电机驱动系统仿真模型DMCM、动力蓄电池仿真模型和自动断路器模块（AutomaticDisconnectedModule，ADM）等.控制面板主要用于显示车辆功率需求、 车速、电机转速、转矩和电流、点火开关和档位，设置电机的电流、转矩、速度和逆变器的温度，ADM和BPCM的状态还可以显示各仿真模型的一些运算结果 .面板的后台程序完成了图中仿真模型的运算及其与动力总成控制控制器 PTCM的数据传送.车辆控制器模型是驾驶方式的模拟，其主要在控制面板中完成操作和显示；相关状态和数据的传送及电机驱动系统则在后台完成计算，其结果在面板中显示.动力蓄电池监控面板如图1（b）所示，其主要用于显示蓄电池组端电压、充放电电流、最大允许充放电电流、输出功率、SOC和蓄电池组温度，而且还可以设置蓄电池组的一些基本参数和 管理系统的故障状态.要获得动力电池的这些参数 ，必须建立相关的动力蓄电池仿真模型，要求这些模型能够很好地模拟电池的动态行为，与车载使用状况相近
2蓄电池模型
2.1SOC和Pma模型
动力蓄电池模型是电池管理仿真系统的基础要求能够很好地模拟动力电池特性.针对动力电池在电动汽车上使用的要求和特点 ，以额定容量为25A#h、额定电压为312V的镍氢电池为研究对象分别建立了SOC，最大充放电功率（Pmax）和电池热模型.
2.1.1电池RC模型及参数辨识 借助电池RC[1模型（见图2)对参数SOC和Pm计算.图中：C是大电容，反映电池中储存电能能力的大小 ；C=和R=反映电池表面效应；R：表示电池的终端内阻 ；Re表示电池充放电反应时的极化内阻
图2电池RC模型Fig.2 Battery RC model
RC模型不仅能够较好地反映电池的动态特性，而且它的计算阶数不高 ，程序实时性较好，它的缺点是由于模型参数的不确定性 ，将引起估计值的偏差.为了消除模型参数不准确性引起的误差 ，事先在实验室条件下，对电池进行相应的复合脉冲试验具体方法是：在某一特定的温度下，复合脉冲试验在等间隔的SOC点进行，通常选取的SOC为0.20.3，，，0.8，临近的脉冲试验之间电池处于搁置状态，搁置时间为1h（见图3）.在每个SOC点复合脉冲试验开始前要测量电池的开路电压 .考虑到电池放电提供能力与充电接受能力的差异 ，试验中放电电流要大于充电电流，具体数值根据电池额定容量
图325bC时电池RC模型R、R、R阻值分布图Fig.3The value of Rs Rand R:of batter y RCmodle at 25bC
用迭代的方法算出，同时电池的端电压也可以由Uc、Uc来确定.由于电容Co上的电压反映了电池储存电量的大小，故根据事先定义好的电池 SOC和Uc之间的关系，算出当前SOC的值.
确定.模型采用在特定SOC点进行模型参数辨识试验，将模型参数离散为与 SOC对应的参数，使用不同温度时的电池试验数据进行参数辨识 ，可建立起.在电动汽车仿真时，通温度与模型参数的函数关系过查表法得到不同温度和 SOC所对应的模型参数图3表明了在温度为25bC时，RC模型单体电池各参数值，在该温度下，Cb和C分别为465.228kF和478F.
电池的开路电压可由下式表示为
(4)
设电池所能够达到的最小和最高 电压分别为Umin和Umax，则最大放电功率 Pdismax和最大充电功率Pchmax可以表示为：
2.1.2模型状态方程 根据电池的RC模型可得如下的状态方程【2：
(5)
2.2电池热模型
在充放电过程中，蓄电池组本身会产生一定热量，使温度上升，而温度又对蓄电池组的性能和寿命有很大的影响.因此，在仿真系统中集成了电池的热模型，估算不同工况下电池的温升情况 ，从而合理地确定电池的输入输出功率，使电池温度保持在合理的范围内.镍氢电池充电时放出的热量可以分成 2个阶段，分别表示为（3：
(1)
设：
(6)
放电过程中电池放出的总热量计算公式为
式中：Q为电化学反应热；Q为电化学极化热；Q为电池内阻焦耳热；Q为电池过充电氧复合热；1为电流，放电过程中为正值，充电过程中为负值；R为电池的全局内阻：
Qsen=Q1Q²Q=-0.54713.61R（7)
为了折算出电池在工作时的温升情况 ，将动力将热量传导至电池外壳，再由外壳外表面与外部流动冷却空气进行热交换，达到散热的目的“".蓄电池内部的组成部分，如活性物质、正极和负极、隔板等，一起被假想成一个各向同性的整体.因此，可得
当采样间隔 T很短时，可以近似得到
（2)
(8)
因此，式（1)的状态方程可以写成离散的形式
式中：Qcase为从电池外壳散到冷却空气中的热量；Tb为蓄电池组温度；Tar为冷却空气温度；Rer为有效热阻.
(3)
式（3)为动力电池RC模型的离散状态空间方程.因此，在每个操作步长时 Uc和Uc的值可以运
将电池在充放电过程中产生的热量 Qgen引l入计算并对时间进行积分，电池的温升可以表示为
见，变电流充放电过程中，电压仿真曲线能比较合理地反应真实情况.因此，本文采用电池RC模型能够实时模拟电池动态行为
(6)
式中：mb为蓄电池组质量；0.b为内部电池平均比热.
2.3模型嵌入与流程设计
在建立了动力电池模型以后 ，需要将其嵌入到整个电动汽车硬件在环仿真系统中 .这种嵌入不是单纯将其数学模型转化为程序代码嵌入到硬件在环系统中去，而是要配合一定的控制策略和控制思想并且定义好接口传递数据 ，使其能够真正模拟实车运行情况.嵌入的电池管理仿真程序控制思想与流程如图4所示.
图5UDDS工况仿真电压值与实验值的比较曲线Fig.5Comparison of simulatedvoltage withexperimentaldata under UDDS mode
3.2能量优化控制策略的验证
图6所示是燃料电池电动汽车硬件在环仿真系统分别运行EU2、高速公路（HFET）、日本JP10153种不同工况时蓄电池组 SOC的变化曲线.由图6可见，不论运行哪种工况，在动力总成控制系统当前的控制策略下，工况结束时蓄电池组的 SOC基本在75%，即初始SOC附近，而且整个工况运行过程中蓄电池组SOC基本运行在 69%～76%，较好地验证了SOC能量平衡的控制策略
图4电池管理系统硬件在环仿真程序流程图
图6不同工况蓄电池组 SOC曲线Fig.6The battery pack SOC curve ofdiffer ent workconditions
Fig.4The hardware in loop simulation flowchar t ofbatterymanagementsystem
3仿真结果
3.3最大充放电功率的仿真结果
3.1动力电池RC模型验证
动力蓄电池最大充放电功率表明了当前电池能够吸收和放出能量的最大值 ，通常是通过电池管理单元将此信息传送给整车控制器 ，是与整车动力性和经济性紧密相关的参数 .如果过低估计电池的最大充放电功率，将限制整车的动力性和经济性，影响整车的能量分配效果；如果过高地估计，那么势必将损坏动力电池.与以往查MAP的方式不同，本文借助于电路模型可以对最大充放电功率做出较为合理
电池等效电路模型的验证可以通过比较模型的输出电压和实际电池的端电压来完成 .实验条件为环境温度25bC，初始SOC为92%，初始开路电压为370V，图5所示为相同条件下 UDDS工况电池电压仿真值与实验值的比较曲线 .电池端电压的实验值是通过专门的电池检测设备测得 ，模型的输出电压是由式（3）中的端电压选代算法算出.由图可
的判断.图7（a)所示为在UDDS工况下的SOC变化曲线，图7（b）所示为对应的最大充放电功率 .由图可见，随着SOC的下降，最大充电功率上升，最大放电功率下降.当SOC在50%附近时，动力电池的最大充电和放电功率有一个平衡点 ，此时电池同时具有比较好的充电和放电功率 ，为整车运行提供了一个比较好的SOC区间依据，
图8冷却空气对电池温度的影响
4结论
（1）本文设计的电动汽车动力电池仿真系统是动力总成硬件在环系统所不可缺少的部分 ，所建立的仿真平台能实时模拟电动汽车的各种行使工况
（2）建立的动力电池 SOC、Pmax和热模型能很好地模拟电池的动态行为，保证了动力电池仿真系统的精度．
（3）建立的动力电池仿真系统为动力电池管理软硬件开发和整车控制策略的开发提供了良好的条件，
参考文献：
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图7UDDS工况SOC及其最大充、放电功率变化曲线Fig.7The SOC and maximal charge and dischargepower curves of UDDS work condition
3.4温度仿真结果分析
图8所示为某循环工况，通风情况对蓄电池温升的仿真曲线.在蓄电池组温度小于 35bC时，风扇关闭.当温度高于35bC时，分别选择了3种通风量对电池冷却，并进行仿真计算，
由图8可见：风量越大，蓄电池温升越小.当通风量选择0.05kg/s时，该工况结束时，蓄电池温度仅在40bC.通过硬件在环系统可以模拟各种工况获得蓄电池组在各个工况中的热行为 ，为电池管理系统的热设计提供了依据
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